41 УДК 004 Бабенко Е.В., Пающик Ю.В., Звягинцева А.В
advertisement
41 УДК 004 СОЗДАНИЕ 3D-МОДЕЛИ МУЛЬТИПЛИКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ В СРЕДЕ МAYA Бабенко Е.В., Пающик Ю.В., Звягинцева А.В. Донецкий национальный технический университет Принцип мультипликации открыли бельгийский физик Жозеф Плато, австрийский профессор-геометр Симон фон Штампфер и другие. Для воспроизведения на экране движущихся изображений они использовали вращающийся диск или ленту с рисунками, систему зеркал и в качестве источника света – фонарь. Днём рождения рисованной мультипликации считается 30 августа 1877 года. Тогда было запатентовано изобретение Эмиля Рено. Именно он придумал способ выполнения мультфильмов, визуализируя изображение за изображением. Первыми мультипликационными фильмами, снятыми на киноплёнку, являются фильмы американской компании Vitagraph (1906 год). В России первые рисованные мультфильмы были поставлены в 1911–1913 годах. В 1936 году в СССР основана киностудия «Союзмультфильм». Всемирно известный первый русский мультсериал «Ну, погоди!» вышел в свет в 1969 – 1993 годах. В 1999 году мультфильм «Старик и море» стал первым в истории кино мультфильмом для кинотеатров большого формата IMAX. В 2000 году этот же мультфильм был удостоен премии «Оскар». Еще один известный мультипликационный фильм «Ёжик в тумане» в 2003 году был признан лучшим мультфильмом всех времён и народов по результатам опроса 140 кинокритиков и мультипликаторов разных стран. Первые мультфильмы были черно-белыми и “немыми”. Позднее при создании мультфильмов начали использовать принципы анимации. Это позволило сделать так, что неживые предметы стали казаться одушевленными. Анимацию в классическую мультипликацию ввел Walt Disney. Компьютерная мультипликация – дело весьма трудоемкое и дорогое, например, первый полнометражный (т.е. длительностью более часа) компьютерный мультфильм “История игрушек” (США, 1995 г.) создавался 4,5 года. Одним из первых, кто стал активно использовать 3D анимацию, была студия PIXAR. Возможности трехмерной анимации впечатляют, и сейчас она используется не только в мультипликации, но и в кино для создания фотореалистичных спецэффектов. Технология создания мультфильма включает разработку сценария, рисование персонажей, анимацию и создание видеоролика. Используя общепринятую технологию, нами разработан мультфильм в трехмерной графике на экологическую тему продолжительностью 7 минут. В основу сюжета положена жизнь двух инопланетян, условно назваными “чудиками”. Идея сценария в противопоставлении – один из персонажей старается сохранить природу на своей планете, а другой безответственно относится к усилиям первого и безрассудно использует природные ресурсы. В конечном итоге инопланетяне делают планету непригодной для жизни живых существ. Для создания и визуализации сцен мультфильма была использована среда Maya трехмерной графики, как более приспособленная для проектирования персонажей. Стоит отметить, что с самых ранних версий Maya зарекомендовала себя в сфере анимационного кино, с её помощью были реализованы такие анимационные персонажи как Шрек, ВАЛЛ-И, Человек-невидимка, Стюарт Литтл, Голлум (Властелин колец), Халк, Дейви Джонс (Пираты Карибского моря) и другие. Премию «Оскар» за визуальные эффекты получили такие фильмы, как: Матрица (1999 год выхода на экран), трилогия Властелин колец (2001 г.), Человек-паук 2 (2004 г.), Пираты 42 Карибского моря, Сундук мертвеца (2006 г.), Золотой компас (2007 г.), а также за лучший анимационный фильм оскара получил мультфильм Шрек (2001 г.). Одним из важнейших критериев, который выдвигался на первый план при создании мультфильма, являлась привлекательность персонажей. Это возможно тогда, когда на персонаж смотришь с удовольствием, обнаруживая в нем обаяние, простоту, хороший дизайн, понятность и притягательность. Персонаж, обладающий привлекательностью, приковывает и удерживает взгляд. Помимо привлекательности персонаж также должен иметь сценичность. Важно учесть, что сценичное действие всегда рассчитано на зрителя. Поэтому при создании мультфильма нужно было стремиться к тому, чтобы все было предельно ясно, понятно и узнаваемо. Выражение лица сценично, если оно хорошо читаемо, настроение персонажа сценично, если оно воздействует на зрителя. Характер персонажа должен быть узнаваемым, детали – хорошо заметными, текст – доходчивым и т.д. Персонажи отрабатывались на макетах из пластилина. Компоновка сцен мультфильма заранее планировалась, при этом разрабатывались ключевые, наиболее выразительные и сложные фазы движения. Основное внимание уделялось отработке самих компоновок и расчету времени движения. Благодаря этому персонаж мультфильма обретал индивидуальный характер: свою особую и ни на кого не похожую походку, характерные жесты, движения и даже привычки. Общепризнано, что движение персонажа никогда не должно полностью прекращаться до того, как начнется следующее движение. Сквозное движение и захлест (наложение движений или действий, их пересечение, при котором одно действие постепенно переходит в следующее) обеспечивают непрерывность хода повествования и согласованность отдельных эпизодов. Для подчеркивания веса, размера и внутреннего состояния персонажа необходимо было выдержать временной интервал между отдельными его действиями Расчет интервала времени, с помощью которого выбирается скорость движения, очень важен, так как он придает смысл движению. После создания компьютерного образа персонажа начался процесс полигонального моделирования. Каждый объект был разбит на составляющие: у главного героя это – голова, туловище, руки, кисти рук, пояс, брюки, ноги, ухо и кроссовки. Для каждой составляющей был создан стандартный примитив-основа, который наиболее подходил по форме: для головы – это цилиндр, для кисти рук – параллелепипед, а для уха – цилиндр (рис. 1). Основой образов второстепенных объектов были геометрические фигуры. Например, для телевизора – куб, ракеты – цилиндр и т.д. Рисунок 1 – Создание модели из примитивов 43 Затем каждый примитив редактировался, чтобы принять наиболее подходящую форму. Чаще всего применялось редактирование вершин (Vertex) объекта, но иногда редактировались границы полигонов (Edge) и грани объекта (Face). Данное действие осуществлялось с помощью стандартных функций перемещения, поворота и масштабирования. Иногда применялись более сложные команды по добавлению дополнительных точек или граней, разбиению полигона на несколько более мелких, выдавливанию граней и соединению двух вершин. Очень важным при разработке объекта являлось нахождение оптимального количества полигонов (рис. 2), которое содержит модель. Объект, который состоит из слишком большого числа полигонов, утяжеляет сцену и затрудняет последующее его сглаживание. Недостаточное же их количество делает объект слишком примитивным [1]. Рисунок 2 – Несглаженный объект, состоящий из трансформированных полигонов Деление объекта на составляющие не являлось случайным. Для каждой составляющей разрабатывалась своя текстура (см. рис. 3), зависящая от геометрии объекта, его цвета и физических характеристик. Для сложных и неоднородных текстур применялся редактор UV Texture Editor [2]. С его помощью для каждой составляющей была создана развертка на плоскости, на основании которой и рисовалась текстура. Таким способом были добавлены веснушки на лице главного героя, цвет век был сделан темнее, а губы приобрели более розоватый оттенок. Достаточно трудоемким являлся процесс подбора нужных физических характеристик для каждой текстуры. Текстуры выглядели бы слишком плоскими, если бы к ним не применялись Bump Map – это черно-белые карты текстур. В этих картах белым цветом обозначается та часть поверхности, которая останется без изменений, а черным – те части текстуры, которые будут вогнуты внутрь. С использованием такого метода можно легко сделать объекты объемными и шероховатыми, что обеспечивает реалистичность образов. После завершения текстурирования объекта был проведен процесс его риггинга (Rigging), заключающийся в том, чтобы сделать из статичной полигональной модели «куклу» на шарнирах. В этом проекте риггинг проводился только для главного героя. Для начала из элементов «кости» (Bones) был создан скелет объекта (см. рис. 4). Обычно между костями существует связь родитель-ребенок, по принципу наследования. Например, кисть может вращаться сама по себе, но когда вращается 44 плечо, кисть не может оставаться на месте, т.е. она наследует свойства плеча. Кроме этого существуют еще и элементы IkHandler и PRSolver, которые тоже соединяют кости между собой, но по другому принципу – они больше похожи на нить, которая связывает элементы между собой. После этого полигональную поверхность надо сделать такой, чтобы ей можно было управлять. Делалось это с помощью функции Bind Skin. Данная функция делает модель поверхности эластичной и чувствительной к изменениям, фактически создается кожа для персонажа. Каждая «кость» по умолчанию оказывает влияние на ближайшую часть поверхности кожи, хотя это можно легко изменить при необходимости. Рисунок 3 – Наложение текстур на объект Рисунок 4 – Завершенный скелет объекта Для того чтобы создать скелет главного героя, были изучены две подобные работы – rigging модели человека и rigging анимационного персонажа [3]. При моделировании скелета человека применялось большое количество костей, но все они имели влияние только на небольшую часть поверхности, находящуюся рядом. Таким образом моделировались мышцы человека. Анимационный же персонаж имел меньшее количество костей. На один участок поверхности кожи анимационного персонажа могло влиять несколько костей, которые находились рядом. При анимации такой объект кажется резиновым, лишенным мышц. При создании персонажа в этой работе для его рук и головы строился скелет, похожий на скелет модели человека. У персонажа присутствует гибкая шея, но, тем не менее, она не изгибается во все стороны, когда персонаж поворачивает голову и туловище. Нижняя часть шеи зафиксирована и поворачивается только вместе с плечами. Для моделирования туловища скелет был сделан похожим на скелет анимационного персонажа – туловище может изгибаться, живот подниматься, опускаться и увеличиваться. Такое преобразование делает персонажа комичным и карикатурным, а также более интересным для детей. После этого нужно сделать управление персонажа более удобным. Для этого были созданы формы и кривые такого размера, чтобы их было удобно перемещать и выделять. Потом к этим кривым были присоединены уже существующие элементы управления. Однако для случая изменения мимики лица персонажа, эта схема не работает. Чтобы лицо персонажа могло выражать эмоции, нужно каждое из выражений лица создать отдельно. Для этого несколько раз была скопирована голова персонажа, по количеству эмоциональных состояний (рис 5), в которых мог находиться персонаж (гнев, 45 страх, радость, безразличие). Каждая голова была отредактирована отдельно, чтобы выражать крайнюю степень выражения конкретной эмоции. После этого с помощью команды Blend Shape был сделан элемент управления для плавного переход от одной эмоции к другой (0 – эмоция не используется, 1 – эмоция принимает наибольшую степень выражения). Эмоция по умолчанию – безразличие. Рисунок 5 – Модели эмоций персонажа После создания эмоций у персонажа процесс моделирования был закончен. Все объекты загружались в сцену и выполнялась подготовка процесса к анимации – были выставлены ключевые кадры для каждого свойства объекта, проведена работа с камерой и освещением. Далее проводилась оптимизация сцены путем удаления лишних граней и поверхностей [4], удаления неиспользованных или повторяющихся текстур, кривых и элементов управления, а также ограничение используемой оперативной памяти компьютера (до 80 %). Следующим шагом являлось редактирование текстур, в которых были использованы файлы изображений [4]. Чтобы не терять качество изображения и не вызывать ошибки при его использовании все изображения из типов *.jpg и *.hdr, которые имели разрешение более чем 2000 на 2000 пикселей, были конвертированы в карту, файл с расширением *.map. Оптимизация сцены также осуществлялась путем отключения опции, придающей сцене мягкое освещение, похожее на рассеянный солнечный свет, с последующей компенсацией недостающей освещенности сцены увеличением интенсивности источников освещения. Чтобы еще больше ускорить процесс рендеринга, все посторонние приложения, в том числе и Maya, были закрыты, а процесс запускался из командной строки. Запустив рендеринг таким способом, было обнаружено, что, в зависимости от сложности сцен, за минуту прорисовывалось от 2 до 5 кадров. В результате проведения работы по оптимизации сцены кадры не только рисовались без ошибок, но и время их прорисовки сократилось в более чем в 5 раз. Рендеринг всех кадров мультфильма занял 31 час вместо 170 часов, которые ранее предполагались для этого процесса. После рендеринга кадры собирались по сценам в программном продукте Adobe After Effects CS4, накладывалась музыка и промежуточные объяснения к мультфильму с использованием средств Adobe Premiere Elements 2.0. На рис. 6 для примера показаны законченные сцены мультфильма, созданного по описанной выше технологии. 46 Рисунок 6 – Фрагменты сцен мультипликационного фильма “Чудики” Данный мультфильм предполагается распространить среди школ города для экологического просвещения младших школьников. Литература [1] [2] [3] [4] Джон Кундерт-Гиббс, Майк Ларкинс, Дариус Деракшани, Эрик Кунзендорф. Освоение Maya 8.5 = Mastering Maya 8.5. – М.: Диалектика, 2007. Крис Мараффи. Создание персонажей в Maya: моделирование и анимация = Maya Character Creation. – М.: Вильямс, 2004. – 448 с. Digital Tutor. Цифровой учитель. http://www.digitaltutors.com/09/training.php (03.06.2010). RENDER.RU. Он-лайн журнал по компьютерной графике и анимации. http://render. ru/books/show_ book.php?book_id=958 (05.09.2010).
